CN110895222B - 一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置，属于海洋工程装备技术领域，包括固定支撑模块和加力模块，其中，固定支撑模块包括可调固定三脚架、可调固定龙门架和人工地面基础；进行拉伸实验时，加力模块包括铰接头、液压伺服作动器、力传感器、位移检测装置、限弯器、铰接头和连接件；进行弯曲实验时，加力模块包括液压伺服作动器、力传感器、位移检测装置、法兰固定件。本发明通过模块化和复合型设计方式，应用范围广泛，具备灵活性和可拓展性。根据实际工况，采用荷载等效的方法，对海洋管缆弯曲限制器进行拉弯组合荷载模拟。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程装备技术领域，尤其涉及一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置。
背景技术
随着全球经济的快速发展，人类对于能源的需求迅猛增长，目前世界各国都在努力推进清洁能源的发展。这其中，风电是可再生能源发电的主力。相较于陆上风电，海上风场由于没有遮挡风力十分稳定，也不会产生土地成本，对周围环境基本不产生影响。海底电缆是海上风场开发的关键装备之一。为了防止桩基附近的海缆在安装和在位过程中发生破坏，需要用弯曲保护装置对海缆进行弯曲保护。在海洋资源能源开发技术装备中，限弯器是常用的管缆保护附件。当海底柔性管缆面临铺设施工工况、复杂海洋环境荷载时易发生弯曲，根据弯曲保护装置工作环境，以及海缆和弯曲保护装置的结构特点和工作原理，总结出弯曲保护装置的失效模式有：防弯失效、强度失效、连接失效等。
限弯器由多个子结构组成，子机构包括公头、颈部和母头，工作时，需要多个子结构配合使用。限弯器弯曲刚度、拉伸强度对管缆限弯器系统的铺设、在位有极大影响。但限弯器结构复杂，理论和数值设计模型在设计和性能预测过程中存在不确定因素，造成限弯器关键力学参数不准确，通过进行限弯器原模型测试实验，对限弯器设计中弯曲刚度、拉伸强度关键力学指标进行测试。
发明内容
根据上述提出的技术问题，本发明提供一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置。本发明通过模块化的试验装置，模拟限弯器在实际服役过程中受到拉伸荷载及弯曲荷载，测试限弯器的抗弯刚度、其能承受的最大轴向拉伸荷载以及限弯器各部分间的连接性能。根据实际工况，采用荷载等效的方法，对海洋管缆弯曲限制器进行拉弯组合荷载模拟。因此实验设备包含拉伸、弯曲设备，同时包含测量设备，如力传感器、激光位移传感器等对限弯器拉伸弯曲过程位移、形变等关键参数指标进行测量，并对所得数据进行分析处理，分析实验结果。
为实现上述目的，本发明采用的技术手段如下：
一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置，所述的海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置包括固定支撑模块和加力模块。
所述的固定支撑模块包括可调固定三脚架1、可调固定龙门架6和人工地面基础9。所述的人工地面基础9开有多组平行的沟槽，用于安装设备。所述的可调固定三脚架1共有两个，两个可调固定三脚架1底端通过螺栓相对安装在人工地面基础9的同一沟槽内，可调固定三脚架1的竖直面上开有螺纹孔。所述的可调固定龙门架6的架脚通过螺栓固定在人工地面基础9上，位于两个可调固定三脚架1之间。
进行拉伸实验时，所述的加力模块包括铰接头2、液压伺服作动器3、力传感器4、位移检测装置5、限弯器7、铰接头b8和连接件10。
所述的铰接头a2一端为铰接结构，另端为法兰盘结构。所述的限弯器7由多个结构相同的子结构组成，每个子结构由两个完全相同的限弯器试件7-1通过限弯器螺栓7-2连接组成，子结构之间通过公头和母头配合实现连接。所述的限弯器试件7-1为半圆周筒形结构，包括公头段、中间的环形空腔段、母头段三部分，三部分为一体成型结构。所述限弯器7端部的子结构换套在铰接头a2的法兰盘上，即铰接头a2端的法兰盘换套在限弯器子结构母头环套公头肩部的空腔内。所述的铰接头b8包括铰接头底板8-1、铰接头螺栓8-2和铰接销8-3，所述的铰接头底板8-1上装有凸台，凸台上开有销，铰接头底板8-1通过铰接头螺栓8-2固定在一个可调固定脚架1的竖直面上，使用铰接销8-3将铰接头a2与铰接头b8铰接。所述的连接件10包括连接件底板10-1、连接件螺栓10-2、连接件销10-3；连接件底板10-1上装有凸台，凸台上开有销孔，连接件底板10-1通过连接件螺栓10-2安装在另一个可调固定三脚架1 的竖直面上，使用连接件销10-3将连接件底板10-1与液压伺服作动器3铰接。所述的液压伺服作动器3的输出端与限弯器7的端部固定连接。所述的力传感器4和位移检测装置5安装在液压伺服作动器3上。
进行弯曲实验时，所述的加力模块包括液压伺服作动器3、力传感器4、位移检测装置5、法兰固定件11。
所述的法兰固定件11包括安装板和凸台法兰，安装板通过螺栓固定在可调固定三脚架1 的竖直面上，凸台法兰垂直焊接在安装板表面，限弯器7通过限弯器7的子结构换套在法兰固定件11的凸台法兰上，限弯器7的子结构之间通过公头、母头配合以及摞栓实现连接，即法兰固定件11一端的法兰盘换套在限弯器子结构后端母头环套前端公头局部的空腔内。所述的液压伺服作动器3吊装在可调固定龙门架6横梁下侧，进行弯曲实验时，将液压伺服作动器3的输出端与限弯器7的端部通过铁链连接，液压伺服作动器3的输出轴线与限弯器7的轴线重直。所述的力传感器4和位移检测装置5安装在液压伺服作动器3上。
一种基于上述海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置进行拉伸实验的方法，包括以下步骤：
(1)将铰接头底板8-1通过铰接头螺栓8-2固定在可调固定三脚架1的竖直面上，使用铰接销8-3将铰接头a2与铰接头b8铰接；
(2)将限弯器7通过限弯器7的子结构换套在铰接头2的法兰盘上，即铰接头一端的法兰盘换套在限弯器子结构母头环套公头肩部的空腔内；所述的限弯器7的子结构之间通过公头和母头配合以及螺栓实现连接；
(3)将连接件底板10-1通过连接件螺栓10-2安装在另一个可调固定三脚架1的竖直面上，使用连接件销10-3将连接件底板10-1与液压伺服作动器3铰接；液压伺服作动器3的输出端与限弯器7的端部固定连接；
(4)连接好图像监视器，将力传感器和位移检测装置安装在液压伺服作动器上，并进行调试；
(5)启动液压伺服作动器3，开启图像、数据采集系统；
(6)液压伺服作动器3对限弯器7施加轴向拉伸位移；
(7)观察力数据和图像信息，实验结束后卸载液压伺服作动器3，保存数据；观察拉断位置，拍照记录；
(8)解除加力模块的连接关系，实验结束。
一种基于上述海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置进行弯曲实验的方法，包括以下步骤：
(1)使用螺栓将法兰固定件11固定在可调固定三脚架1的竖直面上，将限弯器7通过限弯器7的子结构换套在法兰固定件11的凸台法兰上，即法兰固定件11一端的法兰盘环套在限弯器子结构母头环套公头肩部的空腔内；所述的限弯器7的子结构之间通过公头和母头配合以及螺栓实现连接；
(2)将液压伺服作动器3吊装在可调固定龙门架6横梁下侧，液压伺服作动器3的输出端与限弯器7的端部固定连接，液压伺服作动器3的输出轴线与限弯器7的轴线垂直；
(3)连接好图像监视器，将力传感器和位移检测装置安装在液压伺服作动器上，并进行调试；
(4)启动液压伺服作动器3，开启图像、数据采集系统；
(5)液压伺服作动器3对限弯器7端部施加径向位移；
(6)观察力数据和图像信息，实验结束后卸载液压伺服作动器3，保存数据；
(7)解除加力模块的连接关系，实验结束。
进行弯曲实验时，限弯器7的子结构数量为限弯器7的子结构数量为3-8个，优选为5 个。
本发明具有以下优势：
(1)本实验装置通过模块化和复合型设计方式，应用范围广泛，具备灵活性和可拓展性。
(2)本实验装置仅依靠电液压伺服作动器作为动力来源，即可实现多种实验方式，而且能够根据设计要求进行拉伸、弯曲实验。
(3)对于不同长度的限弯器试件可以通过调节三脚架和龙门架之间的距离，
(4)本发明的人工地面基础和其他固定装置由钢材构成，在保证刚度和强度的前提下有效减少整体结构重量，具有优越的灵活性、可设计性、经济性等优点。
附图说明
图1是一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置的空间结构示意图；
图2是一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置进行拉伸力学实验装置空间结构示意图；
图3是一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置进行拉伸力学实验装置侧视图；
图4是一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置进行弯曲力学实验装置空间结构图；
图5是一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置进行弯曲力学实验装置主视图；
图6是一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置的铰接装置连接装置空间结构图；
图7是一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置的液压伺服作动器主视图。
图中：1可调固定三脚架；2铰接头a；3液压伺服作动器；4力传感器；5位移检测装置； 6可调固定龙门架；7限弯器；8铰接头b；9人工地面基础；10连接件；11法兰固定件；7-1限弯器试件；7-2限弯器螺栓；8-1铰接头底板；8-2铰接头螺栓；8-3铰接销；10-1连接件底板；10-2连接件螺栓；10-3连接件销。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置，所述的海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置包括固定支撑模块和加力模块。
所述的固定支撑模块包括人工地面基础9、可调固定三脚架1、可调固定龙门架6和限弯器7。所述的人工地面基础9开有多组平行的沟槽，用于安装设备；所述的可调固定三脚架1 共有两个，通过螺栓将三脚架底端固定在带有沟槽的人工地面基础9上，两个可调固定三脚架1相对安装，且位于同一沟槽内，可调固定三脚架1的竖直面上开有螺纹孔；所述的可调固定龙门架6通过螺栓将可调固定龙门架6的架脚固定在带有沟槽的人工地面基础上，可调固定龙门架6位于两个可调固定三脚架1之间。
所述的限弯器7有多个子结构组成，每个子结构由两个完全相同的限弯器试件7-1通过限弯器螺栓7-2连接组成，子结构之间通过公头和母头配合实现连接。所述的限弯器试件7-1 为半圆周筒形结构，包括前端的公头段、中间的环形空腔段、尾端的母头段三部分，三部分为一体成型结构。
进行拉伸实验时，所述的加力模块包括铰接头a2、液压伺服作动器3、力传感器4、位移检测装置5、铰接头b8和连接件10。
所述的铰接头a2-端为铰接结构，另端为法兰盘结构；所述的铰接头b8包括铰接头底板 8-1、铰接头螺栓8-2和铰接销8-3；所述的铰接头底板8-1上装有凸台，凸台上开有销孔；所述的铰接头底板8-1通过铰接头螺栓8-2固定在可调固定三脚架1的竖直面上，使用铰接销 8-3将铰接头a2与铰接头b8铰接；所述的限弯器7的子结构之间通过公头、母头配合以及螺栓实现连接，限弯器7通过限弯器7的子结构换套在铰接头2的法兰盘上，即铰接头-端的法兰盘环套在限弯器子结构母头环套公头肩部的空腔内；所述的连接件10包括连接件底板10-1、连接件螺栓10-2和连接件销10-3；、所述的连接件底板10-1上装有凸台，凸台上开有销孔: 所述的连接件底板10-1通过连接件螺栓10-2安装在另一个可调固定三脚架1的竖直面上，使用连接件销10-3将连接件底板10-1与液压伺服作动器3铰接；所述的液压伺服作动器3 的输出端与限弯器7的端部固定连接；所述的力传感器4和口位移检测装置5安装在液压伺服作动器3上。
进行弯曲实验时，所述的加力模块包括液压伺服作动器3、力传感器4、位移检测装置5、法兰固定件11。
所述的法兰固定件11包括安装板和凸台法兰，凸台法兰垂直焊接在安装板表面；所述的法兰固定件11通过螺栓固定在可调固定三脚架1的竖直面上；所述的限弯器7通过限弯器7 的子结构环套在法兰固定件11的凸台法兰上，即法兰固定件11-端的法兰盘环套在限弯器子结构母头环套公头肩部的空腔内；所述的限弯器7的子结构之间通过公头，母头配合以及螺栓实现连接；所述的液压伺服作动器3用装在可调固定龙门架6横梁下侧，进行弯曲实验时，液压伺服作动器3的输出端与限弯器7的端部通过铁链连接，液压伺服作动力器3的输出端轴线与限弯器7的轴线重合
所述的力传感器4和位移检测装置5安装在液压伺服作动器3上。
进一步的，如图2、3所示的使用海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置进行拉伸实验方法，包括以下步骤：
(1)如图6所示，将铰接头底板8-1通过铰接头螺栓8-2固定在可调固定三脚架1的竖直面上，使用铰接销8-3将铰接头a2与铰接头b8铰接；
(2)将限弯器7通过限弯器7的子结构换套在铰接头2的法兰盘上，即铰接头一端的法兰盘环套在限弯器子结构母头环套公头肩部的空腔内；所述的限弯器7的子结构之间通过公头和母头配合以及螺栓实现连接；
(3)如图7所示，将连接件底板10-1通过连接件螺栓10-2安装在另一个可调固定三脚架1的竖直面上，使用连接件销10-3将连接件底板10-1与液压伺服作动器3铰接；液压伺服作动器3的输出端与限弯器7的端部通过铁链连接；
(4)连接好图像监视器、将力传感器4和位移检测装置5安装在液压伺服作动器3上，并进行调试；
(5)启动液压伺服作动器3，开启图像、数据采集系统；
(6)液压伺服作动器3对限弯器7施加轴向拉伸位移；
(7)观察力数据和图像信息，实验结束后卸载液压伺服作动器3，保存数据；观察拉断位置，拍照记录；
(8)解除加力模块的连接关系，实验结束。
进一步的，如图4、5所示的使用海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置进行弯曲实验方法，包括以下步骤：
(1)使用铰接头螺栓8-2将法兰固定件11固定在可调固定三脚架1的竖直面上，将限弯器7通过限弯器7的子结构环套在法兰固定件11的凸台法兰上，即法兰固定件11一端的法兰盘环套在限弯器子结构母头环套公头肩部的空腔内；所述的限弯器7的子结构之间通过公头和母头配合以及螺栓实现连接；
(2)将液压伺服作动器3吊装在可调固定龙门架6横梁下侧，液压伺服作动器3的输出端与限弯器7的端部固定连接，液压伺服作动器3的输出轴线与限弯器7的轴线垂直；
(3)连接好图像监视器，将力传感器4和位移检测装置5安装在液压伺服作动器3上，并进行调试；
(4)启动液压伺服作动器3，开启图像、数据采集系统；
(5)液压伺服作动器3对限弯器7端部施加径向位移；
(6)观察力数据和图像信息，实验结束后卸载液压伺服作动器3，保存数据；
(7)解除加力模块的连接关系，实验结束。
进一步地，进行弯曲实验时，限弯器7的子结构数量为5。
Claims (2)
1.一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置，其特征在于，所述的海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置包括固定支撑模块和加力模块；
所述的固定支撑模块包括可调固定三脚架(1)、可调固定龙门架(6)和人工地面基础(9)；所述的人工地面基础(9)开有多组平行的沟槽，两个可调固定三脚架(1)底端相对安装在人工地面基础(9)的同一沟槽内，所述可调固定三脚架(1)的竖直面上开有螺纹孔；所述的可调固定龙门架(6)的架脚固定在人工地面基础(9)上，位于两个可调固定三脚架(1)之间；
进行拉伸实验时，所述的加力模块包括液压伺服作动器(3)、力传感器(4)、位移检测装置(5)、限弯器(7)、铰接头a(2)、铰接头b(8)和连接件(10)；
所述的限弯器(7)包括多个结构相同的子结构，每个子结构由两个完全相同的限弯器试件(7-1)通过限弯器螺栓(7-2)连接而成，子结构之间通过公头和母头配合实现连接；所述的铰接头a(2)一端为铰接结构，另端为法兰盘结构，限弯器(7)端部的子结构换套在铰接头a(2)的法兰盘上；所述的铰接头b(8)包括铰接头底板(8-1)、铰接头螺栓(8-2)和铰接销(8-3)，所述的铰接头底板(8-1)通过铰接头螺栓(8-2)固定在一个可调固定三脚架(1)的竖直面上，使用铰接销(8-3)将铰接头a(2)与铰接头b(8)铰接；所述的连接件(10)包括连接件底板(10-1)、连接件螺栓(10-2)、连接件销(10-3)；连接件底板(10-1)通过连接件螺栓(10-2)安装在另一个可调固定三脚架(1)的竖直面上，使用连接件销(10-3)将连接件底板(10-1)与液压伺服作动器(3)铰接；所述的液压伺服作动器(3)的输出端与限弯器(7)的端部固定连接；所述的力传感器(4)和位移检测装置(5)安装在液压伺服作动器(3)上；
进行弯曲实验时，所述的加力模块包括液压伺服作动器(3)、力传感器(4)、位移检测装置(5)、法兰固定件(11)；
所述的法兰固定件(11)包括安装板和凸台法兰，安装板固定在可调固定三脚架(1)的竖直面上，凸台法兰垂直焊接在安装板表面，限弯器(7)通过限弯器(7)的子结构换套在法兰固定件(11)的凸台法兰上；所述的液压伺服作动器(3)吊装在可调固定龙门架(6)横梁下侧，进行弯曲实验时，将液压伺服作动器(3)的输出端与限弯器(7)的端部通过铁链连接，液压伺服作动器(3)的输出轴线与限弯器(7)的轴线重直；所述的力传感器(4)和位移检测装置(5)安装在液压伺服作动器(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种海洋管缆弯曲限制器拉弯组合力学实验装置，其特征在于，所述的限弯器试件(7-1)为半圆周筒形结构，包括公头段、中间的环形空腔段、母头段三部分，三部分为一体成型结构。
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